ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физические и химические свойства металлов. Электронное строение металлов, изоляторов и полупроводников из "Общая химия 1986" Электроны, отдаваемые атомами, металлического свинца при окислении, принимаются атомами свинца РЬОг при восстановлении электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи. [c.512] Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а РЬОг служит катодом и заряжен положительно. [c.512] Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Иоиы SO4 движутся к аноду, а ионы Н+ — к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов у анода расходуются анионы, а у катода — катионы. В итоге раствор остается электронейтральным. [c.512] заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2 В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (РЬОг) и анода (РЬ) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают. [c.512] Нетрудно заметнгь, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора прн зарядке аккуму-.пятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для ею работы. [c.513] В предыдущих главах мы рассмотрели свойства неметаллов и лишь нескольк 1х элементов, относящихся к металлам. Прежде чем рассматривать остальные металлы по группам пергнадической еи.-стемы, остановимся на их общих свойствах и методах получения из природных соедине - ий. [c.513] В табл. 29 приведены значения удельного электрического со-протиБленпя и теплопроводности некоторых металлов. Для сравнения в ней даны сведения для двух неметаллов. [c.514] В химическом отношении все металлы характеризуются сравнительной легкостью отдачи валентных электронов и, как следствие этого, способностью образовывать положительно заряженные ионы и проявлять в своих соединениях только положительную окисленность. Многие металлы, например железо, хром, марганец, имеют в различных соединениях разную степень окисленности, но она всегда положительна. В связи с этим металлы в свободном состоянии являются восстановителями. Восстановительная способность разных металлов неодинакова. Для реакцщ в водных растворах она определяется положением металла в ряду напряжений и концентрацией (актив1юстью) его нонов в растворе. [c.514] Причина общности как физических, так и химических свойств металлов лел ит в общности строения их атомов и природы кристаллических решеток металлов. [c.514] Общей особенностью атомов металлов являются их большие в сравнении с атомами неметаллов размеры (см. 33). Внешние электроны в атомах металлов находятся на значительном удалении от ядра и связаны с ним сравнительно слабо — атомы металлов характеризуются низкими потенниалами иокизащги (см. 34, табл. 4 и 5) и близким к нулю или отрицательным сродством к электрону. Именно поэтому металлы легко отдают валентные электроны, выступая в качестве восстановителей, и, как правило, не способны присоединять электроны—проявлять окислительные свойства. [c.514] Как показывает эта схема, с ростом числа атомов возрастает число разрешенных энергетических состояний, а расстояния между соседними энергетическими уровнями уменьшаются. При небольшом числе взаимодействующих атомов для перевода электрона с какого-либо энергетического уровня на ближайший более высокий уровень необходима затрата сравнительно большой энергии. Но при большом числе атомов N. (в макроскопическом кристалле N имеет порядок числа Авогадро) соседние уровни настолько мало различаются, что образуется практически непрерывная энергетическая зона, и переход электрона на ближайший более высокий уровень может осуществиться при затрате ничтожно малой энергии. Если такой ближайший уровень не занят электронами, то находящийся на предшествующем уровне электрон ведет себя как свободный вследствие делокализованности орбиталей он может перемещаться по кристаллу при сколь угодно малых энергетических воздействиях. [c.515] В кристалле какого-нибудь щелочного металла, например калия, атомные орбитали внутренних электронных слоев практически не перекрываются. Можно считать, что в этом случае непрерывная энергетическая зона создается только за счет орбиталей внешнего электронного слоя и заполняется электронами этого слоя. В кристалле, содержащем N атомов, из исходных ато.мных s-орбиталей внешнего слоя образуется энергетическа я зона, состоящая из N уровней. В этой зоне размещаются N внешних s-электронов атомов щелочного металла, которые занимают N/2 энергетических уровней (по два электрона на каждом уровне). Совокупность этих занятых валентными электронами уровней называе-тся валентной зоной. В рассматриваемом случае валентная зона занимает лишь половину имеющихся энергетических уровней. Остальные уровни остаются незаполненными, образуя зону проводимости (рис. 136). Здесь в непосредственной близости от верхних занятых уровней имеются свободные уровни, на которые могут переходить электроны под действием электрического поля. Это и создает возможность переноса тока электронами — обеспечивает электрическую проводимость металла. [c.516] На рис. 13Ь и 137 изображена резкая граница между валслт-ной зоной и зоной проводимости. В действительности эта граница размыта вследствие теплового движения электроны могут переходить с верхних уровней валентной зоны на пижние уровни зоны проводимости. Способность этих электронов свободно передвигаться по кристаллу и переносить энергию из одной его части (нагретой) в другую (более холодную) служит причиной высоко теплопроводности металлов. Таким образом, и электрическая проводимость, и теплопроводность металлов обусловлены возможностью свободного передвижения электронов зоны ироводнмссти. Именно поэтому для большинства металлов наблюдается параллелизм между этими величинами. Например, лучшие проводники электричества — серебро и медь — обладают и наиболее высокой теплопроводностью (см. табл. 29 на стр. 514). [c.517] При нагревании колебания атомов металла около их равновесных положений в кристаллической решетке становятся более ии-тенсивными, что затрудняет движение электронов. Поэтому с повышением температуры электрическое сопротивление металлов возрастает. [c.517] Рассмотренная картина электронного строения твердых металлов показывает, что валентные электроны, осуществляющие химическую связь, принадлежат не двум или нескольким определенным атомам, а всему кристаллу металла. При этом валентные электроны способны свободно перемещаться в объеме кристалла. Образованную подобным образом химическую связь называют металлической связью, а совокупность свободных электронов в металле — электронным газом. Металлическая связь характерна для металлов, их сплавов и интерметаллическпх соединений (см. стр. 534). [c.517] Пластичность eтaллoв также объясняется специфическими свойствами металлической связи. При механическом воздействии на твердое тело отдельные слон его кристаллической решетки смещаются относительно друг друга. В кристаллах с атомной структурой это приводит к разрыву ковалентных связей между атомами, принадлежащими различным слоям, и кристалл разрушается. В кристаллах с ионной структурой при взаимном смещении слоев неизбежно создается такое положение, при которой рядом оказываются одноименно заряженные ионы при этом возникают силы электростатического отталкивания и кристалл также разрушается. В случае же металла прн смещении отдельных слоев его кристаллической решетки происходит лишь некоторое перерасиределе[ ие электронного газа, связывающего друг с другом атомы металла, но разрыва химических связей не происходит — металл.деформируется, не разрушаясь. [c.517] Особыми свойства. и, отличающими их как от мeтav лoв, так и от изоляторов, обладают полупроводники. При низких температурах их электрическое сопротивление весьма велико и в этих условиях они проявляют свойства изоляторов. Однако при нагревании или при освещении электрическая проводимость полупроводников резко возрастает и может достигать величин, сравнимых с проводимостью металлов. [c.518] Вернуться к основной статье